Energy Efficiency and Survivability in 5G Centralized Access Networks

The continuous demand for better wireless data services in terms of very high data rates (typically of Gbps order), extremely low latency, and significant improvement in users’ perceived Quality-of-Service, has triggered the research on the fifth generation (5G) wireless systems that are expected to be deployed beyond 2020. Maintaining the current network architecture will lead to an unsustainable network-cost increase as well as to a dramatic expansion in the network power consumption. Hence, minimization of network cost and energy consumption have become a necessity for mobile network operators. In order to do so, the network infrastructure has to evolve from the old static architecture towards a more scalable, dynamic and agile one by resorting to novel technologies and architectural solutions to improve cost and energy efficiency. Centralized Radio Access Network (C-RAN) is a promising mobile network architecture designed to support the requirements of future 5G mobile networks. C-RAN is a new mobile access network architecture where base stations are splitted among BaseBand Units (BBU) and Remote Radio Heads (RRH) and BBUs are centralized into single physical location, with the consequent introduction of the new “fronthaul” transport network. In C-RAN, the “centralization” of baseband units enables substantial savings of computational resources and significant power savings. On the other hand, the deployment of C-RAN requires high capacity and imposes strict latency requirements on the fronthaul transport-network. To address these issues, various alternative architectures, known as “RAN functional splits”, have been introduced to relax these strict fronthaul requirements. In this thesis, we investigate the opportunities enabled by C-RAN. First we provide a quick survey on the C-RAN stat of art. Then, we model the computational savings (what we called multiplexing gain) enabled by C-RAN under four different functional splits. Furthermore, we show the cost savings arises from centralization. To estimate the power savings -resulting from reduction in the computational resources- for the various cases, we identify the main power consumption contributors in a BS and provide a power consumption model for the different RAN split options. Following this centralization savings, we design a survivable C-RAN against BBU pool and link failures. We propose three different approaches for the survivable BBU pool placement problem and traffic routing in C-RAN deployment over a 5G optical aggregation network. We formalize different protection scenarios as Integer linear Programming (ILPs) problems. The ILPs objectives are to minimize the number of BBU pools, the number of used wavelengths and the baseband processing computational resources. Finally, we design survivable C-RAN based on shared path protection schemes with the objective to minimize the number of BBU pools and the number of used wavelengths. The results show the cost and energy advantages of CRAN with respect to classical RANs, due to “centralization” of BBUs into a few sites. Moreover, the results give insights on the latency and the transport network capacity on the BBU placement problem.

La continua richiesta di servizi dati senza fili migliori in termini di velocità di trasmissione dati molto elevate (in genere dell'ordine Gbps), latenza estremamente bassa e significativo miglioramento degli utenti percepito qualità del servizio, ha attivato la ricerca sul sistemi senza fili di quinta generazione (5G) previsti essere schierato oltre il 2020. Mantenimento dell'attuale rete l'architettura porterà ad un aumento insostenibile dei costi di rete così come una drammatica espansione del consumo di energia della rete. Quindi, la minimizzazione del costo della rete e il consumo di energia sono diventati una necessità per gli operatori di rete mobile. Per fare ciò, l'infrastruttura di rete deve evolvere dalla vecchia architettura statica verso una più scalabile, dinamico e agile ricorrendo a nuove tecnologie e soluzioni architettoniche per migliorare i costi e l'efficienza energetica.A rete di accesso radio centralizzata (C-RAN) è una promettente architettura di rete mobile progettata per supportare i requisiti delle future reti mobili 5G. C-RAN è una nuova architettura di rete di accesso mobile in cui le stazioni di base sono suddivise tra BaseBand Unit (BBU) e Remote Radio Heads (RRH) e BBU sono centralizzate in un'unica posizione fisica, con la conseguente introduzione della nuova rete di trasporto "fronthaul". In C-RAN, la centralizzazione" delle BBUs consente notevoli risparmi di risorse computazionali e significativi risparmi energetici. D'altra parte, l'implementazione di C-RAN richiede un'elevata capacità e impone severi requisiti di latenza sulla rete di trasporto di fronthaul. Per risolvere questi problemi, sono state introdotte varie architetture alternative, note come "RAN functional splits", per rilassare questi severi requisiti di fronthaul. In questa tesi, indaghiamo sulle opportunità offerte da C-RAN. Innanzitutto, cosa forniamo una rapida panoramica sulla stat d'arte di C-RAN. Quindi modelliamo i risparmi computazionali (quello che chiamiamo “Multiplexing Gain”) abilitato da C-RAN in quattro diverse divisioni funzionali. Inoltre, mostriamo i risparmi sui costi derivanti dalla centralizzazione. Per stimare i risparmi energetici - derivanti dalla riduzione delle risorse computazionali - per i vari casi, identifichiamo i principali contributori di consumo energetico in una BS e forniamo un modello di consumo energetico per le diverse opzioni di suddivisione RAN. Seguendo questo risparmio di centralizzazione, progettiamo un C-RAN sopravvissuto contro il BBU pool e i guasti dei collegamenti. Proponiamo tre diversi approcci per il problema del posizionamento del BBU pool e il routing del traffico in uscita in C-RAN su una rete di aggregazione ottica 5G. Formalizziamo diversi scenari di protezione come problemi di programmazione lineare (ILP) integer. Gli obiettivi di ILP sono di minimizzare il numero di pool di BBU, il numero di lunghezze d'onda utilizzate e le risorse computazionali di elaborazione in banda base. Infine, progettiamo il C-RAN sopravvissuto basato su schemi di protezione del percorso condivisi con l'obiettivo di ridurre al minimo il numero di pool BBU e il numero di lunghezze d'onda utilizzate. I risultati mostrano i vantaggi in termini di costi ed energia di CRAN rispetto ai classici RAN, a causa della "centralizzazione" delle BBU in alcuni siti. Inoltre, i risultati forniscono informazioni sulla latenza e la capacità della rete di trasporto sul problema di collocamento BBU